Môže dvojstupňový{0}}proces tepelného žíhania odstrániť slabosť zvarovej línie v koncových uzáveroch PFA?

Ohrievače PFA, ktoré majú privarené koncové uzávery, sa predčasne zlomia na zvarovej línii, keď sú vystavené cyklovaniu tlaku alebo chemickému napadnutiu. Dvojstupňová technika tepelného žíhania, najprv pri 150 stupňoch počas 4 hodín a potom pri 220 stupňoch počas 6 hodín, môže znížiť slabosť zvarovej línie o 60-80 %, ale nedokáže ju úplne odstrániť. Prvý krok (150 stupňov) eliminuje zvyškové napätie spôsobené procesom zvárania bez roztavenia zvarového kontaktu. Druhý krok (220 stupňov) umožňuje vzájomnú difúziu reťazca cez zvarovú líniu, čo vedie k zvýšenému zapleteniu molekúl a lepšej zhode kryštalinity medzi uzáverom a trubicou. Deštrukčný tlak zvarovej línie sa po dvojstupňovom žíhaní zvýši z 5–10 barov na 15–20 barov (pre 2 mm krytku steny), pričom sa blíži deštrukčnému tlaku základnej rúrky (25–30 barov). Avšak zvarová línia je slabým miestom v štruktúre, pretože uzáver a rúrka majú rozdielnu tepelnú históriu (extrudovaná rúrka verzus lisovaný uzáver). Samotné žíhanie sa ho nemôže úplne zbaviť; Na úplné odstránenie slabých miest zvaru sú potrebné konštrukčné zmeny (rozšírené uzávery, pozri článok č. 34).

Štruktúra a slabosť zvarovej línie
Zváraný koncový uzáver PFA spája dva prvky, extrudovanú rúrku (vysoko orientovaná, kryštalinita 45-50 %) a lisovaný uzáver (izotropný, kryštalinita 40-45 %). 3 chyby na zvarovom rozhraní: 1. Zvyškové napätie v dôsledku chladenia 2. Nižšia molekulová hmotnosť v dôsledku rozdielneho tepelného namáhania pri zváraní. Deštrukčný tlak v stave po zváraní je typicky 30 až 50 percent deštrukčného tlaku základnej rúrky. 2 mm stenová trubica exploduje pri 25-30 baroch a identická trubica so zvareným vrchom pri 8-12 baroch blízko zvarovej línie.

Jedno{0}}stupňové žíhanie pri 180 – 200 stupňoch počas 4 hodín zvyšuje deštrukčný tlak na 12 – 16 barov (50 – 60 % rúrky). Dvojstupňové žíhanie 15-20 barov (60 – 75 % rúrky) Zlepšenie je spôsobené relaxáciou reťazca (kde sa polymérne reťazce môžu znova zapliesť cez rozhranie) a čiastočnou rekryštalizáciou, ktorá znižuje nezhodnú zónu.

Optimalizácia procesu žíhania
Proces žíhania Stupeň 1 Teplota ( stupeň ) Stupeň 1 Čas (h) Stupeň 2 Teplota ( stupeň ) Stupeň 2 Čas (h) Tlak pretrhnutia zvarovej línie (bar, 2 mm stena) % prasknutia rúrky (28 bar) Režim zlyhania
Žiadne žíhanie - - - - 6-10 21-36% Čisté pretrhnutie zvarovej línie
Jednostupňový (nízky) 150 8 - - 8-12 29-43% zvarový spoj (bielenie namáhaním-)
Jednostupňový (stredný) 180 6 - - 10–14 36–50 % Zmiešaný zvar a priľahlý
Jednostupňové (vysoké) 220 4 – – 12 – 16 43 – 57 % Čiastočná delaminácia-
Jednostupňový (extrémne vysoký) 250 2 - - 10-14 (nad{1}}žíhaný) 36-50 % Znehodnotený polymér
2-stupňový (nízky-vysoký) 150 4 220 6 15-20 54-71% Susedný zvar (nie čiara zvaru)
Dvoj{0}}stupňové (stredne-vysoké) 180 4 220 4 16–20 57–71 % Rovnaké ako vyššie.
Two stage (150->200) 150 4 200 8 14-18 50-64% Prijateľné
Troj-fázový (150→200→220) 150 2 200 4 220 2 16–20 57–71 % Mierne zlepšenie
Dvoj{0}}krokový žíhací mechanizmus
Prvý krok pri 150 stupňoch je pod bodom topenia PFA (305 stupňov), ale nad skleným prechodom (-15 stupňov, preto sú všetky teploty vyššie ako Tg). Pri 150 stupňoch C vykazujú polymérne reťazce veľkú pohyblivosť. Uvoľnenie zvyškového napätia zo zvárania (uzamknuté v orientácii). Trvanie relaxácie je 1-2 hodiny pri 150 stupňoch, 4 hodiny poskytujú úplné zmiernenie stresu.

Druhý stupeň 220 stupňov je bližšie k bodu topenia, ale nie úplne. Pri tejto teplote sa zvýši difúzia reťazca cez zvarový kontakt. Difúzny koeficient D je daný ako D=D0 exp(-Ea/RT). D pri 220 stupňoch je 10 - 20× väčšie ako pri 150 stupňoch . Zapletenie cez kontakt sa dosiahne vzájomným prienikom reťazí z trubice a uzáveru. Rozhranie sa stane nedefinovaným{12}}. Kryštalickosť oboch strán sa čiastočne roztaví a rekryštalizuje, aby sa vytvorila homogénnejšia štruktúra v celom zvare. Rúrka má však určitú orientáciu (z extrúzie), ktorú nemožno úplne odstrániť bez roztavenia, takže zvar je stále viditeľný.

Obmedzenia a praktické použitie
Implementácia 2-stupňového žíhania pre koncové uzávery PFA:

Zvarte a potom vložte ohrievač (alebo zostavu uzáveru) do pece s cirkuláciou vzduchu-.

Nábeh na 150 stupňov pri 5 stupňoch/min. Nechajte 4 hodiny.

Nábeh 3 stupne/min na 220 stupňov. Necháme postáť 6 hod.

Pred odstránením ochlaďte pri 2 stupňoch/min až 50 stupňoch.

Táto technika pridáva 10-12 hodín k výrobnému času a 15-25% k nákladom. Odporúča sa pre vysokotlakové aplikácie alebo aplikácie s vysokým cyklom, kde je dôležitá pevnosť zvaru. Pre prevádzku pri nízkom tlaku (atmosférický, 2 bary) môže postačovať jednostupňové žíhanie alebo dokonca žiadne žíhanie.

The weld line is at best 25–40% weaker than the base tube with two-stage annealing. The optimum choice for any annealed welded cap is a flared end cap (no weld line) for situations where highest durability is required (pressure >10 bar, temperature cycling >1000 cyklov). Rozšírený uzáver je bez zvaru a má 90-95% pevnosť základnej rúrky.

Príklad oblasti
Výrobca PFA ohrievačov pre vysokotlakové digestory (10 bar, 200 stupňov) použil zvárané koncové uzávery s jednostupňovým žíhaním (180 stupňov, 6 hodín). Miera zlyhania zvarovej linky počas 12 mesiacov bola 8 %. Producent prešiel na dvoj-krokové žíhanie (150 stupňov /4 h + 220 stupňov /6 h). Miera zlyhania zvarovej línie klesla na 2,5 % (stále existuje). Prepracovali ich na rozšírené koncové uzávery pre svoj najspoľahlivejší{16}}rad produktov a počas 5 rokov nemali žiadne zlyhania zváracích liniek.

Kontrola kvality a inšpekcia
Skontrolujte kvalitu zvarovej línie po dvoj{0}}fázovom žíhaní:

Test prasknutia: Stena skúmavky 2 mm alebo prasknutie trubice pri 75 % prasknutia uzáveru pri 15 baroch.

Mikroskopia: Vyrežte prierez zvaru-a preskúmajte pod polarizovaným svetlom. Dobrý zvar nevykazuje žiadnu jasnú čiaru, ale difúzne rozhranie 50–100 µm.

DSC (diferenciálna skenovacia kalorimetria): meranie kryštalinity na oboch stranách zvaru; rozdiel < 5 %

Záver: Dvojstupňové{0}}žíhanie znižuje, ale neodstraňuje slabosť
Dvoj{0}}stupňové tepelné žíhanie (150 stupňov /4h + 220 stupňov /6h) znižuje slabosť zvarových línií v koncových krytoch PFA o 60-80 %, čím sa zvyšuje deštrukčný tlak z 6-10 barov na 15-20 barov (pre 2 mm stenu). Táto metóda eliminuje zvyškové napätie a zlepšuje interdifúziu reťaze v celom kontakte zvaru. Zvarová línia však zostáva štrukturálnym slabým miestom s pevnosťou o 25 až 40 % nižšou ako má základná rúrka v dôsledku prirodzeného rozdielu v molekulárnej orientácii a kryštalinite medzi extrudovanou rúrkou a lisovaným uzáverom. Jediným spôsobom, ako úplne eliminovať slabosť zvarovej línie pri základných vysokotlakových alebo vysokocyklových aplikáciách, je použitie rozšírených koncových uzáverov (bez zvarovej línie). Žíhanie môže byť nákladovo efektívnym spôsobom na zlepšenie zváraných uzáverov, ale nie je to liek na všetko. Menej zvar, lepšie žíhanie alebo flare design. Výber založený na riziku. Zvarové vedenia predstavujú nebezpečenstvo pri vysokom tlaku. Žíhajte ich, ale neverte im. Jedinou zárukou je vzplanutie."